CC BY
33
Реализация способа управления цикличной электромагнитной ударной машиной со свободным выбегом бойка в катушках рабочего и обратного хода Нейман Л.А.
Нейман Людмила Андреевна /Меутап Lyudmila ЛЫгвуеупа - кандидат технических наук, доцент, кафедра электротехнических комплексов, факультет мехатроники и автоматизации, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Аннотация: на примере двухкатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия рассмотрен новый рабочий цикл со свободным выбегом бойка и реализован новый способ управления, позволяющий снизить амплитуду тока и уменьшить влияние работы двигателя на питающую сеть. Ключевые слова: синхронная электромагнитная машина, электропривод, рабочий цикл машины, способ управления двухкатушечной электромагнитной машиной.
Использование для низкочастотных импульсных технологий линейных электромагнитных машин, в которых исполнительный орган совершает возвратно-поступательное движение ударной массы, упрощает кинематическую схему всей машины в целом и позволяет получить ряд дополнительных преимуществ [1-4]. Накопленный опыт эксплуатации электромагнитных машин свидетельствует о многообразии вариантов исполнения по способу организации возвратно-поступательного движения ударной массы - бойка [5-13]. Сложившаяся за последние десятилетия тенденция применения вариантов схем рассмотрена в [14-17]. Методы расчета таких машин широко известны, однако вопросы, связанные с дальнейшим совершенствованием конструкций машин и методик по их расчету по-прежнему сохраняют свою актуальность [18-34].
В проводимых исследованиях решается проблема увеличения допустимой энергии удара за счет реализации нового способа управления, позволяющего уменьшить влияние работы электромагнитной машины на питающую сеть [12].
На рис. 1 и рис. 2 приведен вариант исполнения ударного узла двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка в катушке рабочего и обратного хода и рабочий цикл машины в виде диаграммы перемещения - х бойка, напряжения - и и тока - г катушек. Для реализации рабочего цикла со свободным выбегом бойка используется система из двух катушек, каждая из которых обеспечивает разгон ударной массы электромагнитными силами в двух направлениях. В одном из приведенных вариантов схем (рис. 1) ударный узел содержит рабочий инструмент 1, определяющий ударную массу боек 2, магнитопровод 3, реверсирующее устройство, выполненное в виде пружинного буфера 4, намагничивающую систему, состоящую из катушек рабочего 5 и обратного 6 хода. Наличие пружинного буфера 4 обеспечивает остановку бойка 2 и его разгон в обратном направлении.
Свободный выбег бойка осуществляется за счет создания паузы в подаче импульсов напряжения на катушки рабочего и обратного хода, за время которое боек движется по инерции в сторону пружинного буфера или рабочего инструмента.
3
5
6
2
Рис. 1. Ударный узел электромагнитной машины
и, г, х
Рис. 2. Диаграмма рабочего цикла
Сущность нового способа управления заключается в том, что полный рабочий цикл ударного узла осуществляется за время трех периодов напряжения питающего источника.
В соответствии с цикличностью повторяющихся процессов (рис. 2) в период времени 0К \, боек после
нанесения удара по рабочему инструменту под действием электромагнитных сил катушки рабочего хода движется в направлении пружинного буфера. Электрическая энергия, поступающая из сети, расходуется на изменение кинетической энергии бойка, компенсацию энергии тепловых потерь и приращение энергии магнитного поля катушки рабочего хода. Период времени ^ К характеризуется электромагнитным
торможением бойка. Механическая работа, затраченная на преодоление электромагнитного торможения бойка, преобразуется в магнитную и электрическую энергию и рекуперируется обратно в сеть. В этот же период времени на интервале ^ К ^ электрическая энергия поступает в катушку обратного хода. Электрическая
энергия, поступающая из сети, расходуется на изменение кинетической энергии бойка, компенсацию энергии тепловых потерь катушки, приращение энергии магнитного поля и компенсацию на интервале ^ К внешних
сил при электромагнитном торможении бойка катушкой рабочего хода. На интервале времени /3 К
электрическая энергия из сети в катушку обратного хода не поступает. Механическая работа совершается только за счет запасенной энергии магнитного поля. В период бестоковой паузы К Ц осуществляется свободный
выбег бойка в сторону буферной пружины. Кинетическая энергия бойка переходит в потенциальную энергию при сжатии демпферной пружины.
На участке пути - X в точке а (рис. 2) выполняется реверс бойка и изменение его скорости движения на противоположную. Период времени ц К характеризуется ускоренным перемещением бойка в сторону
рабочего инструмента. Электрическая энергия, поступающая из сети, расходуется на изменение кинетической энергии бойка, компенсацию энергии тепловых потерь и приращение энергии магнитного поля катушки
Для катушки обратного хода на интервале времени /6 К /7 процесс энергопреобразования аналогичен рассмотренному на интервале ^ К для катушки рабочего хода.
Электрическая энергия, поступающая из сети в катушку рабочего хода, на интервале времени К
обеспечивает дополнительное ускорение бойка, а также расходуется на компенсацию энергии тепловых потерь и приращение энергии магнитного поля катушки.
На интервале времени К Ц механическая работа совершается за счет запасенной магнитной энергии.
В период бестоковой паузы К ^о осуществляется свободный выбег бойка в сторону рабочего инструмента. В момент времени боек, двигаясь по инерции, наносит удар по рабочему инструменту. Далее цикл повторяется.
Таким образом, для предложенного способа управления обе катушки используются дважды за полный рабочий цикл и в отличие от известных способов управления, боек приобретает необходимую кинетическую энергию за счет подачи четырех электрических импульсов напряжения на катушки в течение времени полного рабочего цикла. Реализация рабочего цикла на примере двухкатушечной синхронной электромагнитной машины ударного действия со свободным выбегом бойка позволяет снизить амплитуду тока и влияние работы двигателя на питающую сеть.
Литература
1. Мошкин В.И., Нейман В.Ю., Угаров Г.Г. Импульсные линейные электромагнитные двигатели. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2010, 220 с.
2. Нейман В.Ю. Интегрированные линейные электромагнитные двигатели для импульсных технологий // Электротехника. 2003. № 9. С. 25-30.
3. Нейман В.Ю. Способы повышения энергетических показателей однообмоточных импульсных устройств с электромагнитным возбуждением / В.Ю. Нейман, Д.М. Евреинов, Л.А. Нейман, А.А. Скотников, Ю.Б. Смирнова // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2010. № 8. С. 29-31.
4. Малинин Л.И., Нейман В.Ю. Предельные силовые характеристики электромагнитных двигателей постоянного тока // Электротехника. 2009. № 12. С. 61-67.
5. Нейман В.Ю. Анализ процессов энергопреобразования линейных электромагнитных машин с предварительным аккумулированием магнитной энергии в динамических режимах // Электротехника. 2003. -№ 2. С. 30-36.
6. Нейман Л.А. Анализ процессов энергопреобразования в однокатушечной синхронной электромагнитной машине с двухсторонним выбегом бойка // Известия Томского политехнического университета. Томск. Изд-во ТПУ, 2013. № 4, Т323. С. 112-116.
7. Патент № 2508980 РФ, МКИ B25D 13/00 Синхронная электромагнитная машина ударного действия / Л.А. Нейман, В.Ю. Нейман, Е.Ю. Артебякина; опубл. 10.03.2014, Бюл. № 7.
8. Патент № 2496214 РФ, МКИ H02K 33/12 Синхронный электромагнитный двигатель возвратно-поступательного движения / Нейман Л.А., Нейман В. Ю., Скотников А. А.; опубл. 20.10.2013, Бюл. № 29.
9. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Рабочий цикл двухкатушечной синхронной электромагнитной машины со свободным выбегом бойка // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. 48-52.
10. Патент № 2127017 РФ, МКИ H02K 33/02. Способ управления однообмоточным линейным электромагнитным двигателем ударного действия / Г.Г. Угаров, В.Ю. Нейман, К.М. Усанов; опубл. 27.02.99, Бюл. № 6.
11. Патент № 2472243 РФ, МКИ H02K 33/12. Способ управления двухкатушечным электромагнитным двигателем ударного действия / В.Ю. Нейман, А.А. Скотников, Л.А. Нейман, Ю.Б. Смирнова; № опубл. 10.01.2013, Бюл. № 1.
12. Патент № 2486656 РФ, МКИ H02K 33/12, H02P 25/02, H01F 7/18 Способ управления двухкатушечным электромагнитным двигателем возвратно-поступательного движения / Л.А. Нейман, В.Ю. Нейман, Е.А. Ерыгина; опубл. 27.06.2013, Бюл. № 18.
13. Нейман Л.А., Нейман В.Ю. Линейные синхронные электромагнитные машины для низкочастотных ударных технологий // Электротехника. 2014. № 12. С. 45-49.
14. Нейман Л.А. Синхронный электромагнитный механизм для виброударного технологического оборудования // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 6 (207). С. 17-19.
15. Угаров Г.Г., Нейман В.Ю. Тенденции развития и применения ручных ударных машин с электромеханическим преобразованием энергии // Известия вузов. Электромеханика. 2002. № 2. С. 37-43.
16. Нейман В.Ю., Скотников А.А., Нейман Л.А. Тенденции в развитии конструкций синхронных двухобмоточных электромагнитых машин для импульсных технологий // Актуальные проблемы энергетики АПК: материалы II междунар. науч.-практ. конф. Саратов: ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ. 2011. С. 209-211.
17. Нейман В.Ю., Скотников А.А., Нейман Л.А. Структурный анализ синхронных электромагнитных машин ударного действия // Автоматизированные электромеханические системы: сб. науч. тр. Под общ. ред. В.Н. Аносова. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 106-120.
18. Нейман Л.А. Оценка конструктивного совершенства систем охлаждения синхронных электромагнитных машин ударного действия // Научный вестник НГТУ. 2013. № 4. С. 177-183.
19. Нейман Л.А. Исследование перегрузочной способности цикличного электромагнитного привода в зависимости от начального превышения температуры в переходных тепловых режимах // Электротехника. 2014. № 7. С. 712.
20. Нейман Л.А. Приближенный расчет цикличного электромагнитного привода с учтенным начальным превышением температуры в переходном тепловом процессе нагрева // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2014. № 1 (22). С. 113-122.
21. Нейман Л.А. К решению задачи рационального выбора электромагнитного двигателя заданного габарита и веса на основе численного эксперимента // Научный вестник НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. № 4. С. 184190.
22. Нейман Л.А., Рогова О.В. К исследованию тяговых характеристик электромагнитных приводов с учетом зубчатости элементов магнитопровода // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2013. № 1 (20). С. 100-108.
23. Нейман Л.А. Оценка перегрузочной способности ударного электромагнитного привода по средней температуре перегрева в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2013. № 6. С. 58-61.
24. Соловейчик Ю.Г. Оптимизация геометрии линейных электромагнитных двигателей с использованием конечноэлементного моделирования магнитного поля / Ю.Г. Соловейчик, В.Ю. Нейман, М.Г. Персова, М.Э. Рояк, Ю.Б. Смирнова, Р.В. Петров // Известия вузов. Электромеханика. 2005. № 2. С. 24-28.
25. Neyman V.Yu., NeymanL.A., PetrovaA.A. Calculation of efficiency of DC electromagnet for mechanotronbic systems // IFOST 2008: Proceedings of the 3d International Forum on Strategic Technology, June 23-29, 2008, Novosibirsk: Tomsk. P.452-454.
26. Нейман ЛА., Петрова А.А., Нейман В.Ю. К оценке выбора типа электромагнита по значению конструктивного фактора // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 62-64.
27. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова А.А. Сравнение геометрически подобных систем электромагнитов по условию постоянства теплового критерия // Электротехника. 2011. № 12. С. 14а-16.
28. Нейман В.Ю. К вопросу учета главных размеров при выборе типа электромагнита по значению конструктивного фактора / В.Ю. Нейман, Л.А. Нейман, А.А. Петрова, А.А. Скотников, О.В. Рогова // Электротехника. 2011. № 6. С. 50а-53.
29. Нейман В.Ю., Нейман Л.А., Петрова АА. О методике к выбору типа электромагнита по значениям конструктивного фактора // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 2. С. 310-313.
30. Нейман В.Ю., Нейман ЛА., Петрова А.А. Расчет показателя экономичности силового электромагнита постоянного тока с помощью моделирования магнитного поля // Транспорт: Наука, техника, управление: Научный информационный сборник. М.: Изд-во ВИНИТИ. 2008. № 6. С. 21-24.
31. Петрова А.А., Нейман В.Ю. Моделирование в FEMM магнитного поля для расчета тяговых характеристик электромагнитных двигателей постоянного тока // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2008. № 2. С. 101-108.
32. Нейман ЛА., Скотников АА. Анализ процесса нагрева электромагнитного двигателя работающего в импульсном режиме // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2012. № 2. С. 319-322.
33. Нейман Л.А., Скотников А.А., Нейман В.Ю. Исследование нагрева электромагнитного двигателя в переходных режимах // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 50-54.
34. Нейман Л.А, Нейман В.Ю., Шабанов СА. Упрощенный расчет электромагнитного ударного привода в повторно-кратковременном режиме работы // Электротехника. 2014. № 12. С. 50-53.
